ZigBee技术在油田油井无线监控中的应用

一、 前言 我们知道油井是油田最小的生产单位，大大小小的油田是由这些成百上千，相距几十米到几百公里的油井组成。即时掌握油井的各种参数，了解油井的运行情况，对油田安全高效的生产至关重要。传统的采用人工采集这些数据，效率低，不能准确及时，并对工作人员的安全构成极大威胁。 基于802.15.4/ZigBee 技术的无线传感器网络的油井监测系统，采用大量传感器无线组网传输的方式，完全摈弃了传统的单一使用有线、数字电台监控油井的方法。使设备费用投入大及运营成本高，维护难度大的问题得到彻底的解决。大大提高了系统的稳定性，施工方便，并实现油井井场内无线化。 一、 项目分析 2．1 系统组成 2．1．1 终端数据采集器 油井工作状态传感器主要有温度传感器，电压传感器，电机电流传感器，被监控开关断/合传感器，载荷传感器、角位移传感器（或脉冲发生器）、监控器、电参量传感器等，它们将油井的工作状态变换成对应的电压或电流值通过ZigBee通信模块送至采油场监控中心。 2．1．2 无线通讯设备 由于油田的磕头机本身结构设计相对严紧，如果采用有线来传输线数据的话，那将对磕头机的正常工作带影响，而布线麻烦。 鉴于采集器的接口和设备的工作环境等多种情况的要求，我们选择厦门四信通讯有限公司的F8914 ZigBee无线终端和F8114带GPRS的ZigBee无线终端。采用RS-232/485接口、金属外壳设计，它具有体积小、功耗低、配置使用简单、即插即用，安装方便。 2．1．3 监控中心 采油场监控中心一般设置在矿部、队部或其它监控调度部门，监控中心有两种接入方式，第一种，直接网络接入，网络接入可以是专张、ADSL、光纤等多种方式；第二种，采用F8914 ZigBee无线终端接入。 2．2 系统总结构 根据油井的分布规律系统采用ZigBee 技术和其他无线技术结合。由于油井一般是成群分布，单一油井和其他油井相距交远的情况不多。在井场内部和井群内部由ZigBee 终端节点，路由节点，协调器节点组成一个无线网。整个系统的网络总架构有两种方式，第一种，中心监控端采用有线网络接入，然后整个井群的数据经GPRS /GSM 传回给监控中心，如下图 第二种，中心监控端通过ZigBee接入，终端通过ZigBee无线网传送给ZigBee中心节点，再通过中心节点传给数据中心和使用单位。在数据中心或使用单位经过对数据处理，对油井进行时时监测。如下图: 三、项目架构实施方案 3．1 ZigBee终端F8914与与采集终端连接 F8914支持RS232/385通讯接口，可通过RS232/485与采集终端连接。如下图: 3．2 监控中心接入方式 3.2.1有线网络接入 1）中心采用APN专线， 所有终端都采用内网固定IP，客户中心通过一条APN专线接入移动公司GPRS网络，在GGSN与移动公司互联路由器之间建立GRE隧道。为客户分配专用的APN，其他的用户不得申请该APN。只有该专网内的SIM卡才能进入该APN，防止其他非法用户的进入。用户可以内部建立RADIUS服务器，以保证用户内部安全。用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。 此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下的最佳组网方式。 2）控制中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。 3）控制中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。 3.2.2 ZigBee接入 监控中心服务通过RS232线与中心节点设备连接。 四、方案特点 1、802.15.4/ZigBee 的无线网络，免无线电申请许可； 2、支持星型，树型，网型网络等多种网络拓扑结构，最大网络连接能办强，可支持65000个节点。 3、传输模块采用工业级设计，金属外壳，外接电源DC 12V/500mA；通信电流：<250mA (12V);工作环境温度 -25~+65oC;储存温度 -40~+85oC;相对湿度 95%(无凝结);多重软硬件看门狗设计，适用于油井野外工作。 4、ZigBee终端空旷视距离环境无线通信距离800米。 5、ZigBee通讯不需要任何费，为整个项目节省大量的费用支出 6、设备配置操作简单，易懂，所有模块能够完成自组网能力。 7、集成化程度高，技术成熟，安装方便。 五、方案总结 在我国,油井的数据采集基本上靠人工完成，无论盛夏酷暑还是冰雪旱天，采油工都必须到现场采集油井示功图、平衡度、油套压、油温及产液量等井口生产数据，工人劳动强度大，且数据的准确可靠性完全依赖于采油工人的工作责任心。应用油井远程监控系统对于实现油井管理的自动化、提高工作效率、保证数据采集的准确性及加强现场事故应急处理等都具有非常重要的意义。